Erstellen einer HMI (Human Machine Interface)

Überblick

Bei vielen Mess-, Steuer- und Regelsystemen ist ein Werkzeug unerlässlich, mit dem der Bediener das System darstellen und mit ihm interagieren kann. Je nach Anwendungsbereich und Branche wird ein solches Werkzeug als Benutzeroberfläche (User Interface, UI) oder HMI (Human Machine Interface) bezeichnet. Beim Entwuf einer UI oder HMI stehen Ihnen mehrere Hard- und Softwarearchitekturen zur Verfügung, um die Daten für Ihr System zu visualisieren. Diese reichen von lokalen Displays für einfache Statusinformationen an einem Geräteknoten bis hin zu webbasierten Netzwerk-Clients. Dieses Whitepaper untersucht die Vor- und Nachteile der Möglichkeiten basierend auf drei gängigen Auswahlkriterien: Leistung, Verfügbarkeit und Kosten.

Abb. 1: Für HMIs stehen mehrere Technologie- und Architekturoptionen zur Verfügung. Dieses Whitepaer verschafft Ihnen einen Überblick und gibt Ihnen Entscheidungshilfen an die Hand.

Inhaltsverzeichnis

  1. Lösungen für lokale HMI-Systeme
  2. Lösungen für primär dezentrale HMI-Systeme
  3. Fazit

Lösungen für lokale HMI-Systeme

Displays

Die günstigste UI-Variante für die Interaktion mit Ihrem System ist ein lokales Display. Je nach Ihren Anforderungen liegt der Preis für solche Hardware noch gut im zweistelligen Bereich. Dafür stellt sie einfache Funktionen wie Schaltflächen oder einfache Textdisplays mit 16 x 2 Zeichen bereit. Die Hardware ohne Gehäuse wird direkt mit dem Zielgerät verdrahtet und zeigt einem Bediener, der am Gerät arbeitet, die benötigten Informationen an.

Abb. 2: Lokale Displays sind eine kostengünstige Möglichkeit, einfache Informationen von einem Zielgerät auf einem lokalen Soft-Frontpanel darzustellen.

 

Bei vielen dieser HMIs handelt es sich um Platinen oder Komponenten eines größeren Systems, die Sie direkt in Ihren fertigen mechanischen Entwurf integrieren können. Da lokale Displays kein Gehäuse besitzen, bilden sie oft eine kostengünstige HMI-Option. Diese Arten von Displays bieten einfache Funktionen wie Soft-Frontpanels oder grundlegende Systemdaten. Die meisten Anzeigekomponenten haben keine grafischen Fähigkeiten wie Videostreaming oder 1-kH-Aktualisierung wie Windows- oder Linux-Betriebssysteme.

Um den Aufwand für die Systemintegration von Displays möglichst klein zu halten, empfiehlt sich das Touch-Display von Amulet und die LabVIEW-Schnittstelle für die Kommunikation mit dem Controller über RS232. Zur Erstellung der HMI-Anwendung für das Display können Sie GemStudio einsetzen, eine Drag-and-drop-Anwendung, die eine Bibliothek von UI-Widgets bereitstellt und den Import anwenderdefinierter Grafiken erlaubt.

 

Abb. 3: Die LabVIEW-APIs im LabVIEW Tools Network ermöglichen die Interaktion mit Displays.

Weitere Informationen
Unter ni.com/amulet erfahren Sie mehr über die Kompatibilität von NI-Produkten mit Displays von Amulet.

 

Bildschirme

Eine Embedded-Benutzeroberfläche, die auf einem an den Controller angeschlossenen Bildschirm angezeigt wird, bietet eine umfassendere HMI-Erfahrung als ein Display. Hierbei dienen die Ressourcen des Zielgeräts zum Steuern des Systems sowie zum Bereitstellen der Grafik der Benutzeroberfläche. Dadurch werden die Kosten für Systemhardware und -wartung gesenkt sowie die Komplexität der Softwareentwicklung reduziert. Allerdings werden im Vergleich mit Displays mehr Rechenressourcen des Controllers beansprucht.

Um die kritische Steuerlogik von Prozessen mit niedrigerer Priorität, wie etwa der HMI, zu trennen, verteilen Systementwickler die Tasks meist auf Zielgerät (Benutzeroberfläche) und Betriebssystem (Steuerung). Dies führt zu Mehrkosten und einer komplexeren Softwarearchitektur.

Der neue softwaredesignte CompactRIO-Controller basiert auf der LabVIEW RIO Architecture (rekonfigurierbaren I/O). Er bietet softwareseitig die nötige Flexibilität, um Benutzeroberfläche und Steuerung auf demselben Zielgerät und einem Betriebssystem zu konsolidieren. Dafür machen die Entwicklungsumgebung LabVIEW und das Betriebssystem NI Linux Real-Time die Priorisierung für Anwender sichtbar, sodass Sie dem Steuerungstask eine höhere Priorität zuweisen können als der HMI-Software, die in derselben Anwendung läuft. Darüber hinaus können Sie Tasks direkt Prozessorkernen zuweisen und sie somit isolieren. Außerdem ist es möglich, den Steuercode von LabVIEW auf die Hardwarelogik des integrierten FPGAs zu verschieben, wenn Sie noch mehr Isolation und Hardwarezuverlässigkeit wünschen.

Abb. 4: Die Fähigkeiten der Embedded-Benutzeroberflächen der softwaredesignten CompactRIO- und CompactDAQ-Controller machen eine Stand-alone-HMI überflüssig, da sie die HMI direkt in Ihren Controller integrieren.

Weitere Informationen
Mehr über die softwaredesignten CompactRIO-Controller
Empfohlene LabVIEW-Softwarearchitekturen für Embedded-Benutzeroberflächen

 

Touchpanel-Computer

Touchpanel-Computer, Tablets, Desktop-PCs und andere netzwerkbasierte HMI-Panels lassen die Grenzen zwischen lokalem und dezentralem Zugriff auf das System verschwimmen. Diese meist Ethernet-basierten Lösungen nutzen gängige Standards für die Netzwerkkommunikation, wie TCP/IP, UDP oder Webdienste, um Daten zwischen Server und Client zu übertragen.

In dieser Server/Client-Architektur fungieren einer oder mehrere Controller als Systemserver, die Messdaten veröffentlichen und Steuerdaten von den Clients annehmen.

Der Einsatz von Touchpanel-Computern und Desktop-PCs als Clients sorgt für mehr Rechenleistung, da die HMI-Anwendung von einem dedizierten Prozessor betrieben wird. Zwar erhöht die Rechenleistung an jeder verteilten Benutzeroberfläche die Kosten sowohl für Anschaffung als auch Wartung der Hardware, jedoch kann eine solche HMI komplexere, grafikintensivere Anwendungen neben anderen Systemkomponenten betreiben.

Ähnlich wie mit der Embedded-Benutzeroberfläche können Sie mit LabVIEW effizient einen Windows-basierten HMI-Client in derselben Umgebung wie die Systemhardware entwickeln. Die einheitliche grafische Programmierumgebung der Systemdesignsoftware LabVIEW ermöglicht das schnelle Portieren von Tasks zwischen Server- und Client-Anwendung. Darüber hinaus lässt sich die LabVIEW-Plattform nutzen, um komplexe Logik und hunderte Bedienelemente, Graphen und Werkzeuge zur 3D-Darstellung per Drag-and-drop in die Client-Anwendung zu integrieren.

Abb. 5: Mit LabVIEW programmierte Touchpanel-Computer von NI bieten eine HMI mit Verarbeitungsleistung für lokale Analyse und Steuerung.

 

Ein Touchpanel-Computer als Client kann in einem System auch für Tasks wie die Protokollierung von historischen Daten und Alarmen auf dem Gerät, die Anbindung an industrielle Busse und Firmennetzwerke oder den Zugriff auf die Entwicklung der Steuerung genutzt werden. Diese erweiterte Funktionalität ist Teil des LabVIEW Datalogging and Supervisory Control (DSC) Module.

Weitere Informationen
Auswahl der Touchpanel-Computer von NI

 

Nach oben

Lösungen für primär dezentrale HMI-Systeme

Für den dezentralen Zugriff implementieren Ingenieure häufig einen sogenannten „Thin-Client“, um beim Zugriff die größtmögliche Flexibiliät mit plattformübergreifender Unterstützung zu erreichen. Anders als ein dedizierter Touchpanel-Computer oder eine über den Client installierte Anwendung führt der Thin-Client die Benutzeroberfläche ohne Installation direkt auf dem Client aus und nutzt den Server für Datenabruf, Analyse und Logikausführung.

Der erste Schritt bei der Implementierung der Thin-Client-Methode ist das Identifizieren des gewünschten Netzwerkprotokolls, das mit dem Thin-Client kommunizieren soll. In vielen Fällen kommen HTTP-basierte Webdienste zum Einsatz, welche das Low-Level-Verbindungsmanagement vereinfachen, das für Protokolle wie TCP/IP erforderlich ist. Webdienste sind eine Standardoption für webbasierte Anwendungen, da sie mit ihren Verschlüsselungs- und Authentifizierungsmechanismen Sicherheit bieten.

Ein weiteres HTTP-basiertes Kommunikationsprotokoll, das die Vorteile dieser Standard-Webtechnologie bietet, ist die OPC Unified Architecture (OPC UA). OPC UA wird von zahlreichen Herstellern genutzt und ist ein offener Standard, der eine effiziente Lösung zur Integration einer HMI in ein System bietet, das in seinen Subsystemen Komponenten unterschiedlicher Hersteller vereint.

Abb. 6: Ein Client/Server-Kommunikationsmodell basierend auf Protokollen wie Webdiensten und OPC UA kommt bei der Architektur für dezentralle HMIs häufig zum Einsatz.

Nachdem das Kommunikationsprotokoll bestimmt wurde, müssen Sie die passende Thin-Client-Technologie auswählen. Zwei beliebte Optionen für Thin-Clients, die mit dem System interagieren, sind mobile und browser-basierte Clients.

Weitere Informationen
Übersicht über die webbasierte Kommunikation mit einer LabVIEW-Anwendung
Die Bedeutung von OPC UA

 

Mobile Clients

Wenn Ihr System eine Schnittstelle zu einem mobilen Zielgerät benötigt, können Sie eine maßgeschneiderte native Anwendung für ein spezifisches Smartphone oder Tablet erstellen. Aufgrund der Vielfalt an Hard- und Softwaretechnologien von Smartphones und Tablets ist dies allerdings unter Umständen recht kostspielig und verlangt vom Anwender Kenntnisse aller unterstützten mobilen Plattformen.

Sie können die Vorteile solcher Geräte allerdings auch ohne Erfahrung in der mobilen Programmierung nutzen. NI hat dafür diverse Werkzeuge zur dezentralen Ansicht von Messungen und Anbindung an Datenerfassungshardware entwickelt.

Weitere Informationen
Mobile Technologie von NI für die Interaktion mit Ihrem System

 

Browserbasierte Thin-Clients

Die andere Option ist eine browserbasierte Thin-Client-Implementierung, die dank der Allgegenwärtigkeit des Internets und der damit zusammenhängenden Browser-Software auf beinahe jeder Multimedia-Hardware an Bedeutung gewonnen hat.

Ein browserbasierter Thin-Client bietet eine ideale Lösung für ein verteiltes System mit großem Einzugsbereich und einer hohen Client/Server-Rate. Da ein Standard-Webbrower die Visualisierung bereits abdeckt, ist keine zusätzliche Softwareinstallation erforderlich. Tasks werden an einen zentralen Server abgegeben, sodass ein Thin-Client nur begrenzte Verarbeitungsleistung und Speicherkapazität benötigt. Die Zentralisierung der Anwendungen in einem System erleichtert die Hard- und Softwarewartung sowie Upgrades. Daraus ergeben sich im Vergleich mit Touchpanel-Computern und anderen Hardwarelösungen niedrigere Gesamtinvestitionskosten für Systeme mit vielen Clients.

Wenn eine browser-basierte Architektur für Sie infrage kommt, bedenken Sie dabei auch, dass die Prozessorressourcen des Servers möglicherweise stärker beansprucht werden, je nach Update-Raten und Anzahl der Clients. Außerdem sollten Sie sich mit Web-Programmiersprachen wie JavaScript, CSS und HTML auskennen, um eine ansprechende, interaktive HMI zu erstellen. Die Informationen am Ende dieses Abschnitts zeigen auch Optionen, für die keine Webprogrammierung nötig ist, sowie Tipps und Tricks zur Erstellung eines browserbasierten Thin-Client.

Insgesamt gesehen machen die geringeren Stückkosten zusammen mit dem Browserzugriff und der Skalierbarkeit einen Thin-Client zu einer guten Lösung für mobile Systeme zur Visualisierung.

Weitere Informationen
LabSocket für den Zugriff auf LabVIEW-VIs über das Internet oder LAN von jedem Browser

 

Nach oben

Fazit

Anhand der Anforderungen an die HMI Ihres Systems können Sie die passenden Hard- und Softwaretechnologien auswählen. Hier finden Sie die wichtigsten Kriterien noch einmal im Überblick:

  1. Für eine einfache Benutzeroberfläche in der Nähe des Controllers für eine OEM-Anwendung, die für den Endnutzer um ein Gehäuse ergänzt werden muss, ist wahrscheinlich ein Display am besten geeignet.
  2. Für eine umfassende Benutzeroberfläche in der Nähe des Controllers eignet sich ein Bildschirm mit einer Embedded-Benutzeroberfläche.
  3. Für verteilte Steuerung, Regelung, Analyse und/oder Protokollierung vieler Controller auf eine HMI bietet die zusätzliche Rechenleistung eines Clients in Form eines Touchpanel-Computers eine gute Lösung.
  4. Für den dezentralen Zugriff vieler Clients und maßgeschneiderte HMIs für bestimmte mobile Geräte bietet sich ein mobiler Client an.
  5. Für den dezentralen Zugriff vieler Clients und universellen Zugriff kommt eher ein browserbasierter Thin-Client infrage.

Möglicherweise werden Sie auch eine Kombination dieser Optionen benötigen, je nach der Vielfalt der HMI-Anforderungen Ihres Systems. Auf einen gemeinsamen Nenner können solche unterschiedlichen HMI-Anwendungen mit Webdiensten gebracht werden, die mit den HMIs kommunizieren, die in vier der fünf oben beschriebenen Optionen (alle außer Displays) zum Einsatz kommen.

Dank der engen Integration von Hard- und Software erhöht LabVIEW die Produktivität, denn in einer Softwareumgebung und einer grafischen Programmiersprache können sowohl das System als auch eine hybride Lösung für die Benutzeroberfläche entwickelt werden.

The registered trademark Linux® is used pursuant to a sublicense from LMI, the exclusive licensee of Linus Torvalds, owner of the mark on a worldwide basis.

Nach oben